Una nuova semplice strategia ecosostenibile per convertire il metano in metanolo

Da molti anni sappiamo che l’utilizzo del petrolio per l’industria dei trasporti comporta notevoli problemi ambientali. L’economia dell’idrogeno è ancora molto lontana, nonostante tutti i prototipi in circolazione, a causa dei gravi problemi energetici legati sia alla produzione dell’idrogeno, alla sua distribuzione che al suo immagazzinamento. L’idrogeno infatti viene ancora prodotto a partire dal gas naturale, deve poi essere purificato attraverso una serie di processi costosi e dispendiosi in termini energetici, distribuito utilizzando meccanismi appositi e poi conservato in bombole ad alte pressioni all’interno dell’autovettura. All’interno di questa alimenta una fuel cell, una cella a combustibile, che consente all’idrogeno e all’ossigeno dell’aria di scambiarsi elettroni in maniera controllata – contrariamente a quanto accade in una normale combustione – in modo da poterli usare per generare il lavoro elettrico necessario per alimentare l’automobile.

Uno dei processi per la conversione di metano in metanolo
(copyright mavericksynfuels)

Da ormai vent’anni si stanno quindi cercando altre alternative, ed una di queste è il metanolo. Sebbene le fuel cell a metanolo siano meno efficienti e la sua produzione complessa, è più sicuro, facile da trasportare e non necessità di rivoluzionare completamente la rete di distribuzione.

In un articolo uscito su Science il 5 maggio 2017, Selective anaerobic oxidation of methane enables direct synthesis of methanol, a firma di Vitaly L. Sushkevich, Dennis Palagin, Marco Ranocchiari e Jeroen A. van Bokhoven, ricercatori del Paul Scherrer Institut e del ETH di Zurigo, gli scienziati dimostrano come è possibile convertire direttamente il metano in metanolo tramite un processo che coinvolge un solo stadio e che sembra molto più conveniente di quello in uso oggi, sebbene questa ricerca per il momento sia stata condotta solo in scala di laboratorio e non è quindi detto con certezza che si riveli proficua anche su scala industriale.

La sintesi standard del metanolo parte dal gas naturale, contenente principalmente metano (CH4), e richiede almeno due stadi: prima l’ossidazione ad alta pressione e temperatura del metano a syngas – cioè ad una miscela di monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2) – e successivamente da questa miscela si ottengono metanolo e altri idrocarburi liquidi attraverso altre reazioni, come in quello chiamato Fischer-Tropsch. Questo processo era nato negli anni ’20 del 1900 ed è poi stato sviluppato e utilizzato dai nazisti durante la seconda guerra mondiale per ottenere combustibile. Oggi è utilizzata molto poco e sono preferite altre vie, che partono sempre dal syngas, per ottenere le 21 tonnellate di metanolo annuali che oggi sono necessarie.

Il metodo di Sushkevich e colleghi non richiede la prima fase di trasformazione in syngas, che è possibile solo quando si lavora in larga scala, permettendo così di trasformare anche il metano

Struttura chimica di una zeolite

prodotto localmente e in piccola quantità, evitandone così la dispersione e salvaguardando l’ambiente (il metano ha un effetto serra 25 volte maggiore rispetto la CO2), utilizzando inoltre acqua come fonte di ossigeno.

La loro idea consiste nell’utilizzo di un catalizzatore a base di una zeolite, la mordenite, contenente ioni rame, che permette di utilizzare l’acqua come fonte di ossigeno per l’ossidazione del metano a metanolo (CH3OH), contrariamente agli altri metodi che richiedono ossidanti forti e tossici per l’ambiente.

Le zeoliti sono minerali che hanno la particolarità di avere una struttura porosa. Si tratta di alluminosilicati, cioè sono minerali formati principalmente da alluminio e silicio, e sono utilizzatissime nella catalisi proprio per la loro porosità. Questa porosità è presente a livello microscopico, cioè è legata proprio alla struttura molecolare che presenta queste cavità, all’interno delle quali possono avvenire molti processi catalitici. La mordenite, utilizzata in questo lavoro, è per esempio già utilizzata nell’industria petrolchimica per altre applicazioni.  Dopo la preparazione e l’attivazione del catalizzatore, la reazione procede in condizioni decisamente più blande rispetto l’ossidazione a syngas e con una selettività del 97%. Durante la reazione il metano riesce a strappare un ossigeno dalla zeolite con l’assistenza degli ioni rame (Cu2+), attraverso un meccanismo che si conclude con l’acqua che restituisce l’ossigeno alla zeolite permettendo il procedere della reazione. Oltre al metanolo l’unico sottoprodotto è inoltre proprio l’idrogeno, un’altra molecola di ampio utilizzo e la cui produzione è al momento molto costosa.

 

RIFERIMENTI

Articolo originale

A way to use water to convert methane into methanol

Una utile review sull’argomento

Informazioni su Giuseppe Alonci 72 Articoli

Chimico e appassionato di divulgazione scientifica. Sono un dottorando all’Università di Strasburgo, dove mi occupo di chimica dei materiali applicati alla biomedicina. Scrivo articoli divulgativi per diverse realtà web e gestisco il canale youtube “La Chimica per Tutti”.